211service.com
Inkjetprinten op nanoschaal
Er is een nieuw type inkjetprinter ontwikkeld die stippen van verschillende materialen met een diameter van slechts 250 nanometer nauwkeurig kan printen. De inkjetprinter zou het mogelijk kunnen maken om snel complexe nanoschaalstructuren uit verschillende materialen te synthetiseren.
Nano-afdrukken: Deze afbeelding toont een afbeelding van een bloem die is afgedrukt met een nieuwe elektrohydrodynamische inkjetprinter. Elke stip heeft een diameter van slechts acht micrometer en bestaat uit enkelwandige koolstofnanobuisjes.
Het doel is om productie te doen, zegt John Rogers , een professor in engineering aan de Universiteit van Illinois, Urbana Champaign. De nieuwe printers kunnen een breed scala aan materialen gebruiken voor het vervaardigen van nieuwe apparaten, van plastic elektronica en flexibele displays tot fotovoltaïsche cellen en nieuwe biomedische sensoren, zegt Rogers.
De onderzoekers hebben aangetoond dat de nieuwe inkjets zeer precieze patronen van elektrisch geleidende polymeren en koolstofnanobuisjes kunnen printen; ze hebben ook aangetoond dat DNA kan worden afgedrukt zonder het te beschadigen. Het is moeilijk om dit te doen met traditionele fabricagetechnieken van silicium, zegt Rogers.
Vaak zijn de nanomaterialen die nodig zijn om ultrakleine biomedische apparaten en op nanoschaal gebaseerde elektronica te maken in oplossing, wat betekent dat ze zich niet lenen voor traditionele microfabricagetechnieken. Hierdoor is printen een aantrekkelijk alternatief, zowel qua kosten als qua complexiteit, zegt Heiko Wolf van IBM Zürich Research Labs ' Nanoscale Structures and Devices Group, in Zwitserland.
Maar het vormen van patronen op nanoschaal is tot nu toe een uitdaging gebleken. Conventionele inkjets zijn beperkt tot resoluties van ongeveer 25 micrometer, zegt Rogers.
Traditionele inkjetprinters werken door inkt uit een spuitmondje te duwen om druppeltjes te vormen, ofwel door de inkt te verwarmen of door fysieke druk uit te oefenen om deze eruit te persen. Hoewel dit op micrometerschaal prima werkt, beginnen problemen met oppervlaktespanning en vloeistofstroom een barrière te worden wanneer onderzoekers proberen kleiner te worden. Hoe kleiner het mondstuk, hoe moeilijker het is om er vloeistof doorheen te laten stromen, zegt Rogers. Dus de hoeveelheid kracht die je nodig hebt, neemt onevenredig toe.
Om dit te verhelpen, gebruiken Rogers en zijn collega's een andere benadering, genaamd elektrohydrodynamisch inkjet (of e-jet) printen. We trekken de vloeistoffen in plaats van ze te duwen, zegt hij.
Dit omvat het gebruik van elektrische velden om de druppeltjes te creëren en is afhankelijk van de aanwezigheid van een bepaalde hoeveelheid elektrisch geladen deeltjes, of ionen, in de vloeistof. Capillaire krachten trekken de vloeistof uit het reservoir en vormen een halfbolvormige druppel die aan de rand hangt, zoals een druppel water op een kraan.
Door met elektroden een elektrisch veld te creëren tussen de punt van de spuitmond en het substraat waarop men het materiaal wil printen, is het mogelijk om de druppel conisch te maken, zegt Rogers. Ionen hopen zich op aan het oppervlak van de vloeistof, aan de top van de kegel, zegt hij. Door deze concentratie van ionen kan de punt van de kegel afbreken en een druppel vormen die slechts een fractie is van het volume van de kegel.
Je kunt druppeltjes genereren die kleiner zijn dan de diameter van de spuitmond, zegt Rogers. Je knijpt eigenlijk alleen maar druppels af. Pas op het uiterste puntje van de kegel worden de druppeltjes gevormd.
Met deze benadering hebben Rogers en zijn collega's aangetoond dat ze lijnen van een materiaal van 700 nanometer breed of individuele stippen met een diameter van slechts 250 nanometer kunnen printen.
Naast de grootte van de druppeltjes is ook de ruimtelijke nauwkeurigheid verbeterd, zegt Rogers. Hij en zijn team ontdekten heel toevallig dat het veld dat werd gebruikt om de druppel te creëren, ook helpt om de geladen druppel naar het doelsubstraat te leiden. Dat was een soort bonus, zegt Rogers.
Elektrohydrodynamische printers zijn in het verleden gebruikt, zegt Howard Taub , associate director van HP Labs, in Palo Alto, CA. De nieuwigheid hier is de hoge resolutie, zegt hij.
Maar, zegt Taub, wat deze nieuwe e-jets goedmaken in resolutie, ze missen snelheid. De hoge spanningen die nodig zijn om de velden te genereren, kunnen moeilijk te pulseren zijn om snel te kunnen printen. Gewone printers kunnen druppeltjes in de orde van grootte van 10.000 tot 100.000 keer per seconde uitwerpen. De e-jets van Rogers werken daarentegen met ongeveer 1.000 keer per seconde.
Een oplossing is om arrays van inkjetkoppen te gebruiken, zegt Taub. Maar dit kan tot verdere problemen leiden, zegt hij: De druppeltjes gaan met elkaar interageren omdat ze opgeladen zijn. Je zou ze dus op afstand moeten houden.
Rogers zegt dat zijn groep werkt aan het snelheidsprobleem. Hij en zijn collega's hebben al aangetoond dat sproeiers tot 250 micrometer kunnen worden geplaatst zonder dat de druppeltjes op elkaar inwerken. Ze werken nu samen met verschillende fabrikanten om de technologie te commercialiseren.